开关磁阻电机自主优化设计方法研究与CAD实现--毕业论文Word文件下载.docx
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通过对传统优化算法的改进，使其能够实现多参数、多目标优化，并在收敛快速性与结果准确度之间达到合理平衡，避免陷入局部最优。
CAD软件：
应包括传统设计和优化设计两个主要功能，以及图形化显示、加工图输出、报表生成、联机帮助等辅助功能。
采用多窗口及模块化管理技术，使软件具有友好的人机交互界面，灵活的操作流程，较强的可扩展性。
四、进度和要求
1周 资料收集，总体框架设计；
2—3周 对开关磁阻电机传统设计方法进行研究；
4—6周 对遗传算法等典型优化算法进行对比研究，对其性能进行仿真分析与改进；
7—9周 对电机主要尺寸进行敏感性分析，并针对一定的性能要求及约束，利用改进后的优化算法对电机几何尺寸进行优化；
10—13周 利用C++Builder编写计算机辅助优化设计软件；
14—15周 对优化方法及设计软件性能进行全面测试与改进；
16周 撰写毕设报告。
五、主要参考书及参考资料
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学生___________指导教师___________系主任___________
4
VI
摘要
绕组电流的非正弦性以及铁心磁密的高饱和性给开关磁阻电机（SRM）设计造成了极大困难，现有设计及优化方法难以得到最优性能且缺乏自主性。
本文主要对开关磁阻电机的优化设计展开理论研究和仿真分析。
较低的运行效率以及显著的转矩脉动极大地限制了SRM的应用及推广，如何对电机本体进行优化设计以突破技术瓶颈，已成为目前的研究热点及难点。
通过对电机设计参数的分析发现定转子极弧和转子外径对电机的转矩脉动以及效率都有较大的影响。
因此，本文将定转子极弧、转子外径作为优化变量，转矩波动系数与效率作为优化目标对电机进行优化。
通过对几种优化算法的对比研究，本文选择的优化方法是粒子群算法。
粒子群算法具有搜索速度快、效率高、算法简单、适合于实值型处理等优点。
但是，对于离散的优化问题，粒子群算法容易陷入局部最优。
为了解决粒子群算法的这一缺点，本文借鉴了模拟退火算法，在更新粒子的时候利用一个概率函数选择性接受一些较差的粒子，这样可以有效地避免陷入局部最优。
最后，根据改进后的算法编写了CAD软件。
关键词：
开关磁阻电机，优化设计，粒子群算法，模拟退火算法，CAD软件。
ABSTRACT
Non-sinusoidalofwindingcurrentandhighsaturationofironcorecausegreatdifficultiesforswitchedreluctancemachine（SRM）design,andtheexistingdesignandoptimizationmethodsaredifficulttogetoptimalperformanceandlackofautonomy.ThispaperfocusesonthetheoreticalstudyandsimulationanalysisofSRMoptimaldesign.
LowefficiencyandsignificanttorqueripplegreatlylimittheapplicationandpopularizationofSRM.Howtooptimizethemachinetobreakthroughtechnicalbottleneckshasbecometheresearchhotspotanddifficulty.Bytheanalysisofdesignparameters,it’sfoundthatthestatorandrotorpolearc,therotordiameterhaveagreatinfluenceontorquerippleandefficiency.Therefore,thispapermakesrotorpolearc,statorpolearcandrotordiameterasoptimizationvariables,andtorqueripplecoefficientandefficiencyoptimizationgoal.
Throughcomparativestudyofseveraloptimizationalgorithms,thepaperselectedparticleswarmoptimization（PSO）,whichhashighsearchspeed,highefficiency,simplealgorithm,andissuitableforrealvaluetypeprocessing.But,fordiscreteoptimizationproblemit’seasytofallintolocaloptimum.Inordertosolvetheproblem,thispaperintroducessimulateannealarithmetic.Whenupdatingtheparticle,aprobabilityfunctionisusedtoselectivelyacceptsomepoorparticles,whichcaneffectivelyavoidgettingintolocaloptimum.Finally,CADsoftwareisdevelopedbasedontheimprovedalgorithm.
Keywords:
switchedreluctancemachine,optimaldesign,particleswarmoptimization（PSO）,simulatedannealingalgorithm,CADsoftware.
目录
第一章绪论 1
1-1本文的研究目的和意义 1
1-2开关磁阻电机的发展概况 1
1-3开关磁阻电机的研究概况 5
1-3-1开关磁阻电机的分析 5
1-3-2开关磁阻电机的设计 6
1-4本文主要研究内容 7
第二章开关磁阻电机的基本介绍 9
2-1开关磁阻电机基本结构和原理 9
2-2开关磁阻电机的数学模型 11
2-3开关磁阻电机的线性模型 12
2-4本章小结 13
第三章开关磁阻电机的设计与优化算法 14
3-1开关磁阻电机的设计 14
3-2几种新型优化算法介绍 15
3-2-1遗传算法 17
3-2-2模拟退火算法 18
3-2-3粒子群算法 19
3-2-4蚁群算法 21
3-3本章小结 23
第四章开关磁阻电机的优化设计 24
4-1初始设计及性能核算 24
4-1-1设计指标 24
4-1-2尺寸计算 24
4-1-3控制参数计算 25
4-1-4性能的初步核算 26
4-1-5关键尺寸敏感性分析 26
4-2粒子群算法的改进 27
4-2-1标准粒子群算法 28
4-2-2模拟退火算法 29
4-2-3混合算法 30
4-2-4仿真计算 30
4-3开关磁阻电机自主优化 31
4-4本章小结 32
第五章开关磁阻电机CAD优化设计软件 34
5-1电机CAD技术的现状与发展 34
5-2电机CAD的特点与研究内容 35
5-2-1电机CAD 35
5-2-2C++builder介绍 36
5-3CAD优化软件 37
第六章全文总结 41
参考文献 42
致谢 44
毕业设计总结 45
5
53
第一章绪论
1-1本文的研究目的和意义
开关磁阻电机（SRM）是双凸极结构，转子上既无绕组也无永磁体，定子各极上绕有集中绕组。
因此，具有坚固耐用、成本低、可靠性高、调速范围宽等优点，使它在工业领域得到了广泛应用[1]。
然而，与传统电机相比，SRM的输出转矩脉动、噪声和振动较大，这个缺点限制了它在伺服驱动这类要求低速运行平稳场合的应用。
为了提高SRM的运行性能，拓宽其应用领域，有必要对其优化设计方法进行研究。
绕组电流的非正弦性以及铁心磁密的高饱和性使SRM驱动系统成为了一个多变量、强耦合的非线性系统，给设计及优化造成了极大的困难。
目前，国内外研究者对该方面的研究还不够深入[2-7]。
绝大多数设计方法均建立在类比法、经验公式以及有限元分析基础之上[8-11]，对设计人员的专业性要求较高，自主化程度较低，且难以得到全局最优解。
通过仔细的调查分析发现，在已有的研究成果中，只有极少数学者对自主优化设计方法进行了探索[12]。
计算机辅助设计（CAD）技术利用计算机强大的数据处理及图形化显示功能，可以有效的帮助设计人员缩短设计周期、提高方案质量。
具体而言，在设计过程中可以利用CAD软件对不同方案进行大量的计算、分析和比较，以确定最优方案；
而且，各种设计信息，不论是数字的、文字的或图形的，都能存放在计算机中，并能快速地检索；
另外，由计算机自动产生的设计结果，可以快速作出图形，便于设计人员及时作出判断和修改[13]。
本选题将首先对SRM优化设计方法进行研究，而后编写相应的CAD软件，以达到提高方案性能和加快设计速度的目的。
1-2开关磁阻电机的发展概况
开关磁阻电机调速系统是伴随着电力电子技术和微电子技术的进步而迅猛发展起来的一种新型无级调速系统，是将磁阻式电机和现代电力电子技术相融合的典型的机电一体化产品，兼具了直流调速系统、交流调速系统的优点[14]。
从二十世纪八十年代发展至今，开关磁阻电机调速系统凭借着低成本、易维护、节能、良好的容错性以及卓越的可控性等优点，得到了人们广泛的关注。
其产品领域不断扩大，在各种需要调速的场合，开关磁阻电机调速系统均能满足其所需的性能要求。
目前已经应用于工业、交通、国防及家电等的各个领域[15-17]。
正如业内专家的评价所言：
开关磁阻电动机调速系统已成为“调速系统的里程碑”。
开关磁阻电机调速系统主要由开关磁阻电机、控制器和功率变换器组成。
作为调速系统中实现机电能量转换的部件，开关磁阻电机是双凸极可变磁阻的电机，电机铁芯由高磁导率的硅钢片叠压而成，定子凸极上绕有集中绕组，转子上无永磁体无绕组，也无其他任何形式的滑环等。
电机的结构简单坚固,可用于恶劣、高温、甚至强振动环境，运行可靠性高并且维护量小。
开关磁阻电机的工作原理类似于步进电机，遵循“磁阻最小原理”，因磁场扭曲而获得电磁转矩，起动转矩大、起动电流小。
电机的转向与相绕组的电流方向无关，由简单的开关电路供给脉冲电流，便可以产生步进磁场，并且由于控制环节设置有转子位置的闭环控制，可以实现高精度的准确定位。
选择开关磁阻电机作为电动执行器的动力源电机，可以实现频繁的起、停动作。
此外，控制器通过对绕组相电流的开通角、关断角、电流幅值等变量进行控制，实现宽广调速范围内的灵活运行，通过调节开关磁阻电机的速度实现电机的柔性起、停功能，有效地减少对执行器阀门的机械冲击。
同时，开关磁阻电机调速系统采用DSP作为控制核心，数字化的控制技术可以实现在电动执行器中应用现代控制理论的先进算法，极大的提高了电动执行器的控制性能[22]。
DSP使得系统控制单元的接口异常丰富，具备很强的与其它控制设备的互联能力，可以有效提高电动执行器的网络化水平。
开关磁阻电机具备的诸多优势，使它成为电动执行器动力源的优选方案。
然而，开关磁阻电机还存在着亟待解决的问题，最突出的问题在于：
由于开关磁阻电机的定子、转子双凸极结构和开关电源供电方式，导致开关磁阻电机的电磁场存在非线性饱和特性，对电机各性能参数的准确分析颇为困难，尤其在电机设计、性能分析等方面还不够成熟、完善。
并且，开关磁阻电机运行噪声偏大，成为开关磁阻电机广泛应用的主要障碍。
虽然已有众多研究针对开关磁阻电机的振动噪声偏大的弊端提出了改进措施，但仍有待进一步解决改善，尤其是如何从根源上有效的减小开关磁阻电机的振动和噪声。
关于开关磁阻电机的概念非常久远，可以追溯到十九世纪被称为“电磁发动机”的发明。
但“Switchedreluctancemotor”一词源于美国学者S.A.Nasar在1969年撰写的论文，描写了这种电机的两种重要特征：
开关性和磁阻性。
后几经易名，最终由英国P.J.Lawrenson教授赋予现代开关磁阻电机新的意义，“开关磁阻电机”一词也因此逐渐被人们所接受和采用[18]。
开关磁阻电机的雏形早在十九世纪四十年代就己出现，苏格兰学者Davidson制造了一台用作推进蓄电池机车的驱动系统，由于当时科学技术水平的限制，采用的是机械开关，电机的运行特性不佳、可靠性较低，并且机电转换能量很低，从而难以引起人们的太大关注，发展缓慢。
从二十世纪六十年代开始，电力电子、计算机、微电子等领域的快速发展以及大功率晶闸管的研制投产，为开关磁阻电机调速系统的研究提供了有利的条件，开关磁阻电机又逐渐吸引了人们的注意力，六十年代后，国外开始对开关磁阻电机进行深入的分析和研究[18]。
二十世纪七十年代左右，英国Leeds大学对开关磁阻电机的深入研究结果表明：
开关磁阻电机可以在单向电流下四象限运行，其功率变换器采用普通晶闸管或晶体管的开关数量都是最少的，电机成本明显低于同容量的异步电机。
同时，步进电机和磁阻电机研究小组首创现代开关磁阻电机雏形，并发表了许多论文。
1980年，Leeds大学P.J.Lawrenson教授及其同事们在ICEM会议上，发表著名论文《变速开关型磁阻电动机》，系统的介绍了他们的工作成果，阐述了开关磁阻电机的原理和设计特点，标志着开关磁阻电机调速系统正式得到国际社会的认可。
同年，英国成立了世界第一家开关磁阻电机驱动装置有限公司SRDLtd.（SRDLtd.现已并入美国Emerson公司），在SRDLtd.早期注册中，最著名的TASCDrives（现为GrasebyControls）于1983年首先推出了名为OULTON系列开关磁阻电机调速产品[20]。
另外，SRDLtd.试制的一种适用于有轨电车的30kW开关磁阻电机驱动系统，到1986年已运行15000英里，该产品良好的操纵性和可靠性，在电气传动界引起不小的反响。
在很多性能指标上达到了出人意料的高水平，整个系统的综合性能价格指标达到或超过了工业中长期广泛应用的一些变速传动系统。
1989年，Harris教授将开关磁阻电机与异步电动机做了详细的比较，结论表明，开关磁阻电机在效率、单位体积出力等方面均是优胜者。
除英国外，美国、加拿大、新加坡等国家也在积极的开展开关磁阻电机驱动系统的研究工作。
相比较而言，英国和美国在开关磁阻电机调速系统的理论研究和电机设计处于领先地位[18]。
近年来，开关磁阻电机调速系统的应用领域已经从最初侧重于牵引运输发展到通用工业、航空工业和家用电器等各个领域。
目前，开关磁阻电机驱动系统的开发范围为：
转矩0.01Nm～610Nm，功率10W～5MW，转速上限可达到100000rpm。
开关磁阻电机的规格也从多相发展到单相、两相，电机的机型从旋转型发展到直线型。
美国EMB公司开发的电动摩托车,采用两相开关磁阻电机驱动；
SUNDSTRAND公司的80KW开关磁阻电机将在第四代战斗机中应用；
EMERSON公司研制成功滚动式洗衣机的开关磁阻电机直驱系统，实现了智能化无级调速，在高档洗衣机中已小批量采用；
韩国LG公司生产的开关磁阻电机小型风机也在家电装置中应用[20]。
作为当代电气传动领域的热门课题，从二十世纪八十年代起，我国很多研究单位、高等院校开展了开关磁阻电动机研究，并且开关磁阻电机被列为中小型电机“七五科研规划项目”。
已有大批高等院校、科研院所、生产企业从事开关磁阻电机系统的开发研究工作。
1985年，武汉华中理工大学开始研制以SCR为功率开关器件的7.5kW开关磁阻电机调速系统；
北京纺织机械研究所与南京调速电机厂合作开发了3kW的四相8/6极开关磁阻电机，是以IGBT为功率开关器件和单片机8051为核心的控制器系统产品。
1988年，首届开关磁阻电机驱动系统研讨会在南京航空航天大学召开，1991年在武汉华中理工大学召开了第二届开关磁阻电机驱动系统研讨会。
来自25个单位的交流成果表明，我国对于开关磁阻电机的理论研究和应用已经有了较大进展。
开关磁阻电机的研究工作从最初摸索合理的设计方法转向电机的优化设计、复杂控制策略的实施等方向发展，在振动与噪声、最佳电流波形、转矩波动、电机发热以及铁耗计算等方面进行了深入的分析和研究。
1993年，在中国电工技术学会中小型电机专业委员会领导下，正式成立了开关磁阻电机学组。
2005年10月国家发展和改革委员会、科技部、国家环保总局在联合发布的《国家鼓励发展的资源节约综合利用和环境保护技术》公告中，明确将开关磁阻调速电动机作为电机行业重点推广技术。
目前已有十余家单位推出不同性能、用途、功率的多规格系列产品，应用于纺织、冶金、机械、运输等多种行业、场所的数十种生产机械和运输车辆中。
其中，华中科技大学开发的全数字化开关磁阻电机电动汽车实现我国电动汽车驱动电机技术的重大突破[18]。
2007年，由山东科汇电气股份有限公司、山东理工大学等单位合作研制开关型磁阻电动机调速系统，被发展改革委列为我国“十一五”期间重点推荐的节能型产品。
在国家863项目电动汽车重大专项课题中，北京中纺锐力机电有限公司取得了配套混合动力电动大巴的项目，并在武汉市公交线路运营。
另外，我国研制的多规格开关磁阻电机工业产品样机，在煤矿产业、纺织机械、轻型龙门刨床和食品加工业等方面取得良好效果[18]。
国内有关开关磁阻电机的著作也相继出版。
但应看到，目前我国开关磁阻电机的理论研究和实际应用与国外相比还存在较大的不足和差距，实用化工作进展缓慢，没有得到大量的推广应用。
开关磁阻电机作为一种新型调速系统，发展的时间还较短，其兼具有直流调速和交流调速的优点，无疑具有广阔的市场前景。
与目前广泛应用的变频调速感应电动机相比，开关磁阻电机在成本、效率、调速性能、可靠性等方面都具有明显的优势或竞争力。
尤其在较低的速度范围内，开关磁阻电机调速系统具有很高的转矩/电流比值。
另外，开关磁阻电机在宽广功率范围内都能保持较高的效率，这是变频调速感应电动机难以比拟的[18]。
感应电动机要取得与直流电机相近的调速特性需采用复杂的矢量控制系统，而开关磁阻电机通过调整开通角、关断角、电压和电流，可以得到不同负载要求的机械特性，控制简单、灵活，能容易地实现软启动和四象限运行，而且由于这是一种纯逻辑的控制方式，很容易智能化，通过修改软件调整电机工作特性便可以满足不同应用要求。
由于开关磁阻电机的双凸极结构和开关性供电特点，其固有的特质会导致较大的振动和噪声，事实上这种情况的发生往往与电机设计和控制的不合理相关，通过优化设计电机结构和控制策略，电机振动和噪声完全可以得到有效的抑制，正确认识到这一点对开关磁阻电机的开发和应用是很重要的。
近年来的研究表明，随着制造水平的提高，合理的设计加上完善的控制技术，开关磁阻电机的噪声必将进一步降低。
基于开关磁阻电机结构简单、成本低，国产功率半导体器件价格低和其在宽广的调速范围内实现高效运行的优势，开关磁阻电机全面进入市场是必然的，只是时间问题[18]。
1-3开关磁阻电机的研究概况
由于开关磁阻电机的双凸极结构和磁路的饱和特性，以及绕组供电电源的非线性开关特性，开关磁阻电机的分析方法有别于传统的电机，对开关磁阻电机及其控制系统还有许多问题需要系统而深入的研究。
目前，研究工作主要集中在以下几个方面[18]：
1-3-1开关磁阻电机的分析
磁场分析和参数计算是开关磁阻电机设计和性能分析的基础和关键。
开关磁阻电机磁路饱和、涡流、磁滞效应带来的非线性特性影响着电机的性能，其数学模型没有精确实用的解析表达式，导致开关磁阻电机的分析比较复杂。
纵观对开关磁阻电机数学分析模型的研究历史，Lawrenson通过对一系列开关磁阻电机的分析研究，最先提出了开关磁阻电机的运行原理，为电机的分析方法和设计思路奠定了基础。
发展至今，开关磁阻电机模型总体可以分为线性模型、准线性模型和非线性模型三大类。
忽略电机内部磁路饱和的非线性影响，忽略边缘效应，认为绕组电感与电流无关，可
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